Автоматика из днк и белков: что у нее общего с электроникой?

      Комментарии к записи Автоматика из днк и белков: что у нее общего с электроникой? отключены

Автоматика из днк и белков: что у нее общего с электроникой?

В каждой клетке имеется тысячи генов. Ни при каких обстоятельствах не бывает так, дабы они все трудились в один момент. Клетки мышц, мозга и печени несут однообразный комплект генов.

Они такие различные, по причине того, что в них трудятся различные гены. Все клетки могут включать и выключать отдельные гены в ответ на различные внешние действия. Другими словами совокупность, которая руководит активностью генов — это такая совокупность автоматического управления. Ученые желают осознавать, как такая автоматика трудится, дабы мочь ее чинить и взламывать.

К примеру, в клетках человека имеется совокупность из приблизительно трехсот генов и белков, которая руководит делением клетки. В то время, когда она ломается и клетка начинает все время делиться, появляется рак. (ответ биолога на статью «Вы неправильно пишете животных»)

Упрощенная схема генной сети, регулирующей деление клеток человека

Как устроена внутриклеточная автоматика?

В «железе» в большинстве случаев употребляются электрические импульсы. Сигналы в биологии, в большинстве случаев, химические, другими словами трансформации концентрации каких-нибудь веществ. В нервной совокупности имеется электрические сигналы, но это лишь приспособление к стремительной дальней передаче, подобно оптоволокну в технике.

Передача нервного импульса от клетки к клетке происходит в химической форме, сложная интеграция и долговременная память сигналов в нейроне также химическая.

Где имеется сигналы, в том месте будут наводки — сигналы не на своем месте и шумы — случайная фигня, прилипающая к сигналам. В электронике приход сигналов по адресу обеспечивается изоляцией и проводами. Наводки появляются из-за паразитных емкостных и индуктивных связей между проводниками. В клетке бактерии ее содержимое более-менее равномерно перемешано, и любой химический сигнал (а их тысячи) дешёв в любой ее точке.

растений и Клетки животных поделены на отсеки с различным химическим составом, но типов этих отсеков меньше десятка и в каждом имеется тысячи и сотни различных веществ.

Приход сигнала в необходимое место клетки происходит благодаря молекулярному узнаванию по принципу «ключ-замок». Одна молекула белка может выяснять второй белок, белок может выяснять определенную последовательность ДНК, белок может выяснять мелкие молекулы, такие как сахара. Это узнавание не всегда идеально правильное, исходя из этого молекулы, похожие по форме на штатного партнера по узнаванию, будут создавать наводки. Не считая наводок, в электронике имеется шумы.

Они появляются из-за теплового перемещения атомов, которое вносит долю хаоса в перемещение электронов. В клетке химические шумы также связаны с тепловым перемещением. В то время, когда сигнал не сильный, к примеру, десять штук молекул данного типа на всю клетку, эти молекулы будут разбросаны по клетке случайно, и не факт, что равномерно.

В следствии их концентрация в каком-то углу клетки будет случайно колебаться, и это будет шум.

Что конкретно регулируется в живой клетке?

Клетку возможно разглядывать как завод, что создаёт все нужное ему оборудование и может собирать из него второй такой же завод. Главным оборудованием являются рибосомы — станки с ЧПУ, собирающие все белки. Структура собираемого белка записана на ленте — матричной РНК (мРНК).

Рибосома движется по мРНК и по ее инструкции собирает цепочку нового белка из отдельных звеньев — аминокислот. Выходящая из рибосомы протеиновая цепочка сворачивается в компактный клубок зрелого белка, что начинает трудиться. Белки смогут ускорять химические реакции (ферменты), конечно заниматься транспортом веществ, передачей сигналов, защитой и многими другой работой.

мРНК образуются как копии отдельных участков клеточной ДНК. ДНК возможно сравнить с архивом технологической документации в кабинете главного инженера, а мРНК — с копиями чертежей, каковые выдаются в цех. Копировальный аппарат, создающий эти копии — это также белок, что именуется РНК-полимераза.

Она может садиться на ДНК и затевать ее копирование не везде, а лишь на особых участках ДНК — промоторах, каковые находятся перед каждым геном либо группой трудящихся совместно генов.

выключение и Включение генов определяется по большей части на этапе посадки РНК-полимеразы на промотор. В случае если РНК-полимераза легко садится на промотор гена, то с него делается большое количество мРНК-копий и рибосомы создают большое количество молекул белка, кодируемого этим геном — он будет включен. В случае если что-то помешает посадке РНК-полимеразы, то ген окажется отключён.

Другими словами, выключение и включение генов происходит на этапе сотрудничества РНК-промотора и полимеразы. Разные другие молекулы смогут помогать либо мешать их связыванию. Эти другие молекулы, прежде всего особые регуляторные белки, вместе с соседними участками и промотором ДНК образуют логический элемент, что может интегрировать пара различных входных сигналов.

Логические элементы на ДНК и белках

Пожалуй, самый изученный пример генного тумблера — лактозный оперон кишечной палочки. Французы Жакоб и Моно за его изучения были удостоены Нобелевской премии в 1965 году. Кишечная палочка, как ясно из ее заглавия, живет в кишечнике. Это возможно кишечник самых различных животных, от пчелы до человека.

Ей в том месте приходится питаться тем, что попалось хозяину, исходя из этого она может имеется большое количество различных питательных веществ.

Кишечная палочка под микроскопом и на чашке Петри

Кишечная палочка может расти, к примеру, на питательной среде, состоящей лишь из минеральных солей и глюкозы и создавать все нужные ей аминокислоты и витамины. Вместо глюкозы смогут быть и другие сахара (фруктоза, солодовый сахар — мальтоза, молочный сахар — лактоза и дюжина вторых), конечно полисахариды, к примеру крахмал.

Для усвоения каждого из этих сахаров необходимы собственные ферменты. Производство этих ферментов стоит запускать, лишь в то время, когда соответствующий сахар имеется в среде, в противном случае энергия и материалы на производство этих ферментов будут израсходованы напрасно. Другими словами, гены этих ферментов усвоения сахаров должны включаться лишь в то время, когда имеется данный сахар.

Для усвоения каждого сахара необходимо, в большинстве случаев, пара ферментов, а несколько. Их гены находятся в цепи ДНК рядом и их активность управляется одним неспециализированным регуляторным участком ДНК в начале первого гена. Такая несколько совместно трудящихся и синхронно управляемых генов именуется «оперон».

Схема лактозного оперона

Лактозный оперон складывается из трех генов. Первый (LacZ) кодирует транспортный белок, накачивающий лактозу в клетку, а два вторых (LacI и LacA) — ферменты, совместная работа которых превращает лактозу в «дефолт-сахар» — глюкозу. В начале лактозного оперона находится участок связывания РНК-полимеразы (промотор) и участок связывания регуляторных белков (оператор).

Активность лактозного оперона управляется двумя сигналами. Первый сигнал, это, разумеется, концентрация лактозы. В случае если лактозы нет, то и ферменты ее усвоения не необходимы.

Второй сигнал чуть сложнее. В одном из опытов Жакоб и Моно растили кишечную палочку на среде, содержащей и лактозу, и с глюкозу. В таких условиях палочка сперва потребляет глюкозу, а лактозный оперон у нее отключён.

В то время, когда глюкоза кончается, рост бактерий приостанавливается мин. на 15–20, а после этого длится уже за счет лактозы. На протяжении паузы лактозный оперон включается. Другими словами, второй регуляторный вход выключает лактозный оперон, в то время, когда у клетки имеется более дешёвые сахара, чем лактоза (усвоение глюкозы не требует никаких дополнительных ферментов).

Предстоящие опыты продемонстрировали, что лактозный оперон не реагирует на саму глюкозу. Вместо этого в клетки кишечной палочки уровень голода (правильнее, «вкусность» дешёвых сахаров) кодируется особым сигнальным веществом. Оно именуется «циклический аденозин-монофосфат», либо цАМФ. До тех пор пока палочка растет на глюкозе, цАМФ в клетке нет.

В случае если нет глюкозы, но имеется мальтоза либо крахмал (чуть более трудноусвояемые вещества), вырабатывается мало цАМФ. В случае если нет мальтозы, но имеется фруктоза либо лактоза, уровень цАМФ в клетке будет выше. В случае если нет никаких сахаров, но имеется молочная кислота — еще выше, и наконец, в случае если ничего вкусного нет и приходится кушать глицерин, то уровень цАМФ будет самым высоким.

Итак, лактозным опероном руководят два сигнала: концентрация и концентрация лактозы цАМФ.

Как эти сигналы действуют на активность генов? Деятельный ген — это таковой, на котором РНК-полимераза создаёт большое количество матричных РНК. РНК-полимераза начинает работу над данным опероном неизменно с посадки на одинаковый участок ДНК (он именуется «промотор»). Где в том месте место для лактозы и цАМФ?

РНК-полимераза не имеет возможности распознавать все те много сигналов, каковые регулируют активность тысяч генов. Для этого существуют особые регуляторные белки (они именуются «транскрипционные факторы»). В управлении лактозным опероном участвуют два регуляторных белка, по одному на любой входной сигнал: лактозный репрессор и катаболический активатор.

Лактозный репрессор (фиолетовый) на ДНК

Лактозный репрессор — это белок, что может связываться или с лактозой, или с определенной последовательностью ДНК. В геноме кишечной палочки имеется две такие последовательности, обе в начале лактозного оперона, по обе стороны от промотора. Молекулы лактозного репрессора прочно слипаются между собой в группы по четыре протеиновых молекулы. Связывание таковой четверки с ДНК закручивает нить ДНК в крутую петлю, в которой оказывается промотор.

РНК-полимераза не имеет возможности сесть на таковой закрученный ген и промотор оказывается отключён. В случае если в клетке появляется лактоза, она связывается с лактозным репрессором и он отваливается от ДНК, освобождая промотор для РНК-полимеразы — оперон начинает трудиться. Так устроен регуляторный вход оперона по концентрации лактозы.

Катаболический активатор на ДНК

Катаболический активатор похожим методом реагирует на концентрацию цАМФ. Действительно, имеется пара отличий в подробностях:

— катаболический активатор садится на ДНК чуть сбоку от промотора и не перекрывает его. Напротив, он усиливает связывание РНК-полимеразы с промотором и повышает активность оперона.

— катаболический активатор связывает цАМФ и ДНК. Без цАМФ он не имеет возможности связаться с ДНК.

— катаболический активатор нужен для полной активности лактозного оперона, но и без него оперон все же будет трудиться приблизительно на 5% от полной активности. Лактозный репрессор же регулирует оперон в диапазоне от 0 до 100%.

— молекулы катаболического активатора соединяются в пары, а не в четверки. В следующем посте мы заметим, к чему приводит эта отличие.

Другими словами, мы можем написать таблицу истинности для лактозного оперона:

Лактозный оперон трудится практически как логический элемент AND. Лишь 5% активности в состоянии «лактоза+, цАМФ — » легко выпадают из совершенной картины.

Продолжение направляться. В нем будут графики и матан.

Создание белков по коду из ДНК


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: